PCB Layout 约束管理，助力优化设计

 

本文重点

PCB layout 约束管理在设计中的重要性

Layout 约束有助避免一些设计问题

设计中可以使用的不同约束

 

在 PCB 设计规则和约束管理方面，许多设计师试图采用“一刀切”的方法，认为同样的规则设定可以进行被反复利用。但对于电路板来说，通用的间距规则和其他设计约束可能会带来过大的误差。要设计出既能按预期工作又易于制造的电路板，layout 约束管理必须精确贴合相关设计。

 

设置正确的走线宽度和间距值是 PCB 设计的重要部分。

 

PCB layout 约束管理的重要性

 

电路板是电子工程时代的奇迹，其运行稳定性取决于设计精确性。30 年前的电路板在电气和制造要求方面对设计规格的容忍度还相对较高，但如今情况已大为不同。电路板上金属特征之间以及器件等电路板元素之间的间距必须受到严格控制，金属走线的宽度、连接方式以及 PCB 电气连接的许多其他方面亦是如此。

 

 

 

Layout 约束管理中的电气考量

 

在电路板设计中，控制设计规则和约束的重要性可从以下几个电气因素考量：

 

电源：设计中某些金属走线传输的电流高于比电路板上其他信号线更高。为了防止因电流过大而被烧毁，这些走线通常较宽。

阻抗：为了实现最佳性能，某些信号线必须保持非常精确的阻抗，这要求它们必须位于电路板的特定层上，并具有特定的宽度。

时序：其他走线将用于在处理器芯片及其相关存储设备之间传输数据、地址和时钟信号。为了确保这些器件正常运行，走线上的信号必须在特定时间到达目的地。为此，必须按特定长度进行布线，以确保走线之间相互匹配。

信号完整性：电路板上的许多走线都会辐射能量，从而给电路板上的其他电路甚至板外其他设备造成噪声干扰。为了防止这种情况发生，并保护这些电路或设备免受 EMI 干扰的影响，必须将它们放置在电路板内部的接地平面之间，以实现屏蔽效果。

高速：高速信号路径中的许多信号必须按特定的模式进行传输。此外，还必须对这些信号加以控制，以便其按照既定顺序到达不同的目的地。

 

 

 

Layout 约束管理中的制造考量

 

设计规则和约束管理不仅关乎电路板的电气性能，也在制造环节发挥着关键作用，具体原因如下：

 

组装：电路板上的器件需合理排列，以便自动组装设备轻松安装。此外，还需预留足够的空间，以便返修技术员手动组装较大或更多非标准器件。

可焊性：制造商使用的自动焊接系统要求器件在电路板上保持一定的方向和间距，以实现高良率的焊接效果。此外，器件与大面积金属的连接方式也很重要，可防止热失衡对焊接工艺产生影响。

可访问性：电路板上的器件必须便于自动测试和手动返修。此外，连接器、开关等器件也必须方便技术员操作。

 

由此可见，在电路板设计过程中，设计规则和约束管理至关重要。接下来，我们将分析如果缺乏此类管理，可能会遇到的一些问题。

PCB layout 的约束管理器显示电源网络设置

 

设计约束未完全配置可能引发的问题

 

正如前文所说，在 PCB 设计中精确控制设计规则和约束至关重要，原因有很多。因此，PCB 设计工具通常配备多种规则和约束，以便在电路板 layout 期间为设计人员提供指导。如果未使用这些约束，问题就会随之而来，这通常是因为设计团队没有花时间配置必要的规则。

 

实际上，PCB 设计 CAD 工具中的设计规则历来较为复杂。为了尽快开始工作，设计人员往往不愿意被额外的步骤拖慢进度，因此常常依赖默认的约束设置。但这是一把双刃剑，因为设计人员不得不依靠记忆去判断哪些走线需要加宽，或者哪些器件需要增加间距。如果设计尺寸较小，这种方法或许可行，但即使是较小的设计，也存在一些不容忽视的重要规则和约束。

 

另一个问题是，随着设计进度的推进，手动更改可能会失效。例如，如果在后续使用布线工具编辑已加宽的走线，该走线可能会恢复到原始宽度。如果另一位设计人员接手同一设计，问题可能会进一步加剧。由于缺乏原设计人员的背景知识，他们可能会无意中引入错误，或撤销某些关键手动更改。

 

为了避免此类问题，最佳做法是使用配备先进约束管理系统的 PCB 设计工具集。这样不仅能简化约束设置流程，还能促进 PCB 设计工程师遵循它们。

 

PCB 原理图的约束管理器显示相同的电源网络设置。

 

应该使用的设计约束功能

 

由于早期 PCB 设计系统使用起来较为复杂，设计人员习惯于在没有设计规则和约束的情况下工作也就不足为奇了。但现在情况已有所不同，Cadence 的 Allegro X PCB Designer 等 CAD 工具配备强大的约束管理系统，大大减轻了设计师的工作负担。以下是约束系统中的一些功能，可以帮助您提升工作效率：

电子表格格式以及复制粘贴、多个单元格输入和搜索功能，可供轻松输入数据

可配置电子表格单元，按需显示数据

能够从原理图或 layout 中输入规则和约束，如前文图中所示

用户可定义类别，根据需要对网络和器件进行分组

不同类别的规则，涵盖设计的电气、物理和制造方面

可以针对器件间距、走线宽度和间距、走线长度和拓扑、过孔类型等设置特定规则

能够将规则应用到单个项目和类别，以及单个或多个板层

导入和导出功能，有助管理约束集

 

正如设计工具中的多重布线功能可提升 PCB 网络布线效率，约束管理系统中的多种功能同样能优化设计工作流程。关键在于如何利用这些功能，接下来我们将通过一个示例进行说明。

 

恰当的设计规则和约束管理

 

Constraint Manager 显示分配给网络的过孔

 

在上图中，一些时钟网络被归为一组。这些网络需要使用特定的过孔，相关过孔在“Vias”列下进行了分配。一旦完成分配，布线过程中就能直接调用指定的过孔，无需手动切换其他过孔。不过，Allegro X 的约束管理器不仅能控制走线宽度和过孔分配，还提供了更强大的控制能力。您可以设置多种电气约束，包括反射与边缘失真、串扰、时序、阻抗和传播延迟，而这些仅仅是入门级设置。